CSP to mniejszy brat fotowoltaiki. Czerpie energię ze słońca w ciągu dnia, żeby oddawać ją nocą

Elektrownia słoneczna typu CSP (Concentrated Solar Power) to instalacja, która nie zamienia promieniowania na prąd „od razu”, jak fotowoltaika (PV), lecz najpierw koncentruje światło lustrami, wytwarza z niego ciepło, a dopiero potem, korzystając z klasycznego obiegu turbinowego, produkuje energię elektryczną. W praktyce wygląda to tak: tysiące ruchomych luster (heliostatów) śledzi Słońce i odbija jego promienie na odbiornik (receiver) umieszczony na szczycie wieży lub w lokalnym punkcie kolektorów. W receiverze nagrzewa się nośnik ciepła, najczęściej mieszanina stopionych soli azotanowych, do kilkuset stopni Celsjusza. Ta „gorąca sól” trafia do świetnie izolowanego zbiornika i działa jak magazyn energii. Gdy system potrzebuje mocy, także po zachodzie Słońca, gorący czynnik oddaje ciepło do wytwornicy pary, napędza turbinę parową i generator, po czym, już schłodzony, wraca do zbiornika „zimnego”.

Dzięki temu CSP może pracować stabilnie i przewidywalnie również nocą.

Technologia ma kilka odmian. Najbardziej rozpoznawalne są wieże słoneczne (pole heliostatów + wieża z odbiornikiem) oraz kolektory paraboliczne (długie „rynny” z rurą ogniskową, przez którą płynie olej termiczny lub sól). Rzadziej spotyka się układy Fresnela (tańsze, płaskie lustra segmentowe) i dish–Stirling (paraboliczny talerz podający ciepło na silnik Stirlinga). Niezależnie od wariantu, przewaga CSP bierze się z ciepła magazynowanego tanio i w dużej skali.

Na świecie CSP rozwija się wolniej niż błyskawicznie taniejące PV, ale ma swoje „miejsca mocy”. Najstarszą i wciąż imponującą bazę ma Hiszpania, duże projekty stoją w USA (m.in. Ivanpah, Solana), a w ostatnich latach centrum ciężkości przesunęło się do regionu MENA – Maroko (Noor Ouarzazate) i Zjednoczone Emiraty Arabskie (Dubaj) postawiły na ogromne bloki z magazynami ciepła, które wieczorem i w nocy zasilały sieć, gdy PV już milknie. Dynamicznie rosną też Chiny, gdzie równolegle powstają hybrydy CSP+PV+wiatr. Mocne przykłady znajdziemy również w RPA (długi, ciągły czas pracy dzięki magazynom) oraz w Chile, gdzie surowe, bezchmurne niebo Atacamy daje rekordowe warunki nasłonecznienia.

Trendy są dość czytelne: większe magazyny ciepła (10–15+ h) i zaawansowane systemy sterowania polami luster, aby wycisnąć z optyki maksymalny uzysk przy niższym koszcie przyśpieszają rozwój CSP.

W porównaniu z fotowoltaiką, CSP ma kilka istotnych przewag systemowych. Najważniejsza to sterowalność: operator może „odkręcić zawór” i włączyć turbinę wtedy, kiedy prąd jest najbardziej potrzebny – zwłaszcza w wieczornym szczycie. Dzięki wirującej maszynie synchronicznej CSP łatwiej też zapewnia usługi systemowe (inercja, regulacja), które przy samej PV trzeba uzupełniać magazynami bateryjnymi lub elektrowniami konwencjonalnymi. Oczywiście są i ograniczenia: CSP wymaga bardzo wysokiego promieniowania bezpośredniego (DNI), czyli najlepiej suchych, bezchmurnych pustyń; ma wyższy koszt inwestycyjny od PV i potrzebuje dużych, nasłonecznionych terenów. W nowoczesnych projektach ogranicza się zużycie wody przez suche chłodzenie lub hybrydowe układy chłodzenia.

Szczególnie ciekawym przykładem najnowszej generacji jest dwuwieżowa elektrownia CSP w Guazhou (prowincja Gansu, Chiny). Zamiast jednej wieży mamy dwie wieże i jedno, wspólne pole heliostatów, a całość zasila jeden blok turbinowo-generatorowy. Po co dwie wieże? Po pierwsze, pole luster można dynamicznie „przerzucać” między wieżami: rano większa część heliostatów kieruje strumień na wieżę wschodnią, po południu – na zachodnią. Taki układ wydłuża „okno słoneczne” i zmniejsza straty kątowe (lepsza geometria padania promieni), ogranicza też wzajemne zacienianie.

Po drugie, rozdział strumienia między dwa odbiorniki wygładza gęstość strumienia ciepła na receiverach, co ułatwia kontrolę temperatury, zmniejsza szczytowe obciążenia termiczne i wydłuża żywotność komponentów. Po trzecie, w praktyce daje to wyższy uzysk energii i lepszy współczynnik wykorzystania mocy – szacunki mówią o poprawie rzędu około jednej czwartej względem klasycznej pojedynczej wieży o podobnej skali. Cały system, oparty na stopionych solach jako magazynie, pozwala prowadzić wytwarzanie także nocą, a architektura „dwie wieże, jeden blok” łączy korzyści optyczne z prostszą, tańszą częścią wytwórczą po stronie turbiny.

W efekcie CSP zaczyna pełnić w miksie energetycznym rolę „termicznego magazynu z turbiną”, który dopełnia tani, dzienny prąd z PV.

Tam, gdzie klimat sprzyja, a sieć potrzebuje stabilnej, regulowanej mocy po zachodzie Słońca, wieże słoneczne z magazynem ciepła potrafią spiąć dzień z nocą – a rozwiązania takie jak dwuwieżowy układ z Gansu pokazują, że w tej niszy wciąż jest sporo miejsca na innowacje.